为现代科学技术而奋斗的人们第十七回.docx
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为现代科学技术而奋斗的人们第十七回
第十七回卫星上天开辟航天新纪元空间技术寻找生存新空间
话说近五百年来,人类创造了一个又一个人间奇迹,飞机上天,让人类实现了天马行空,独来独往,这卫星上天,就真的是九天揽月了,科学技术的发展,不知道人类还要创造出什么天上奇迹来,什么腾云驾雾十万八千里的的神话被实现了,常说科学技术给人类插上了腾飞的翅膀,文学家的形容被科学家物化了,越想越兴奋,越说越激动,真是有点忘乎所以了,现在书归正传,说说这空间技术的伟大成就,这个感同身受的时代,我只算是打开话匣子,说得不够味,大家就“添油加醋”吧!
所谓空间技术,是探索、开发和利用太空以及地球以外天体[1] 的综合性工程技术[ ,亦称航天技术。
它包括运载器、航天器和地面测控技术三个重要组成部分。
什么是天呢,现在人们已知“天高地厚”了,地球的直径大约1万2千7百公里,过去人们所说的天,就是地球的大气层,大约是1千公里,如果地球是一个苹果,大气就是这苹果外面的一张皮,天高远不如地厚,但要“飞上”天已经是不容易的,现在说的是要“飞出“天,必须要现在的空间技术也就是航天技术了,航天技术所说的天,是指地球大气层以外至太阳系内的空间,在这个空间以内的航行活动则称之为航天,相当长的历史阶段内,人类只能实现航天活动,而不能实现所谓的“航宇活动”。
我们的祖先,很早就有嫦娥飞天的神话和鲁班航空的传说,然而,把传说变成现实,必须依靠当今的航天技术,航天技术是现代科学技术的结晶,它以基础科学和技术科学为基础,汇集了20世纪许多工程技术的新成就。
力学、热力学、材料学、医学、电子技术、光电技术、自动控制、喷气推进、计算机、真空技术、低温技术、半导体技术、制造工艺学等对航天技术的发展起了重要作用。
这些科学技术在航天应用中互相交叉和渗透,又产生了一些新学科,使航天科学技术形成了完整的体系。
现在我们首先学习一点航天的基础知识吧:
一、卫星绕地球运转所具备的条件
说到卫星,那么,什么是卫星?
什么是人造地球卫星?
所谓卫星就是绕行星运转的天体,月球就是地球的卫星,这种卫星称为自然卫星。
而人造地球卫星是指在一定轨道上绕地球运转并完成一定使命的人造天体,也称人造卫星。
卫星绕地球运转必须具备一定的条件:
一个是速度条件;一个是高度条件。
1、速度条件
大家将在中学物理中学习万有引力定律和三大运动定律。
这些定理告诉我们,当一个物体围绕地球做匀速圆周运动时,需要受到指向圆心的合力即向心力。
如果物体所受万有引力正好可以提供这个向心力,这个物体将沿圆轨道绕地球运行而不掉回地面。
在这种情况下,这个物体的速度叫环绕速度。
大约等于每秒7.9公里。
这就是通常所说的第一宇宙速度。
大家可能认为速度不够快,这是以秒计算,如以小时计算这个速度是26800Km/小时,不到1.5小时在外层空间绕地球一圈。
下面介绍几个概念:
航空:
一般把在地球周围稠密大气层以内的飞行活动(例如飞机、气球的飞行)称为航空;
航天:
把在稠密大气层以外、太阳系以内的飞行活动(例如人造卫星、载人飞船的飞行)称为航天;
航宇:
把太阳系以外的飞行活动称为航宇。
所谓第一宇宙速度是指航天器绕地球作圆轨道运行而不掉回地面所必须具有的。
当速度达到每秒11.2公里时,物体将挣脱地球的引力场,而变成绕太阳运转的人造卫星。
这时的速度为第二宇宙速度(亦称脱离速度)。
所谓第二宇宙速度,即卫星能够脱离地球引力场而绕太阳运行所需要的速度。
如果物体运动的速度再增加到16.7公里/秒,这时太阳的引力也拉不住它了,而成为银河系的一个人造天体。
这时的速度称为第三宇宙速度。
所谓第三宇宙速度就是从地面发射一个物体,能脱离太阳系引力场所需的最小速度。
从理论上讲,以第三宇宙速度飞出太阳系是可以实现的。
但是以这个速度到太阳系以外去航行,即使是飞到离太阳系最近的一颗恒星——半人马座2星,也得飞上10万年。
显然,这没有实际意义。
所以,要实现恒星之间航行,就必须以接近光的速度,即30万公里/秒航行才行。
这就需要运载技术来一个革命性的飞跃。
这是第一技术关速度足够大。
2、高度条件
高度在100——120Km以上。
为什么卫星要选择100Km以上这样的高度?
1960年第53届巴塞罗那国际航空联合大会决议规定,“地球表面100Km以上空间为航天空间,为国际公共领域,100Km以下空间为航空空间领域。
”这是为什么卫星要选择100Km以上这样的高度。
卫星轨道为什么要选择120Km以上这样的高度运行?
主要是考虑气象因素,大家知道地球有一个大气层,90%大气质量在30Km以下,30Km以上逐渐稀薄了。
随着高度的增加,空气密度急剧下降,在距地面100Km的高度上,空气密度为海平面的一百万分之一;在120Km高度上,空气密度为海平面的几千万分之一;在200Km高度上,空气密度只有海平面的五亿分之一。
大家要问达不到120Km以上高度会怎样?
达不到120Km以上高度就会掉下来。
美国1959年曾发射了一颗卫星,距地球最低点是69英里,1英里=1.609Km,69英里=112Km,这颗卫星发射的很成功,上去围绕地球转了一圈后就掉下来了。
为什么?
这是由于受到空气阻力的影响,它没有真正脱离无阻力飞行的环境,所以就掉下来了。
严格说必须把卫星运行轨道选择在120Km以上的空间,它才不会掉下来。
由于卫星以7.9公里/秒的速度飞行会受到很大的阻力,并且与空气磨擦会产生数千度甚至上万度的高温,从而烧坏卫星。
因此,必须把卫星的轨道选在稠密大气层以外,即120公里以外的高空,这时空气密度只有地面的几千万分之一了。
大气层分成很多层,越靠近地球,空气密度越高。
反之则急剧下降。
到120公里的高空,空气密度就只有地面的几千万分之一了。
所以,卫星通常都在离地面120公里以上的空间飞行。
二,卫星是怎样上天的?
卫星是通过发射上天的,在目前有三种发射卫星的方法:
一是通过多级火箭发射;二是用航天飞机发射;三是用飞机发射。
第一,通过多级火箭发射
所谓多级火箭就是由几个单级火箭组合而成的运载火箭
在目前的技术条件下,单级火箭的最终速度只能达到4-7公里/秒。
所以,世界各国都采用多级火箭发射卫星。
从理论上讲,火箭的级数越多所能达到的速度就越大。
但是级数越多,结构就越复杂,可靠性也就越低。
所以在满足速度要求的条件下,尽量使级数最少。
根据目前情况,发射低轨道人造地球卫星,一般用二级或三级火箭,而发射大椭圆轨道卫星、地球同步卫星多用三级或四级火箭。
第二,用航天飞机发射
航天飞机是一种可以载人的天地往返运输工具。
它能象火箭一样垂直起飞,象卫星一样在轨道上运行,又能象普通飞机一样水平着陆。
一架航天飞机可以重复使用100多次,因而,它既可以大大降低发射费用(150万美元/吨),简化卫星设计,又能向近地轨道发射、回收与修复已失效的各种卫星。
例如,在1991年11月24日,美国“阿特兰蒂斯”号航天飞机升空后仅6小时,就将一颗2335公斤的导弹预警卫星送入太空;美国原本有五架航天飞机,1986年“挑战者”号航天飞机升空后不久就爆炸了。
2003年2月1日“哥伦比亚”号完成此次16天飞行任务后返回途中,在距地球约60Km处爆炸失事。
现在剩下三架能执行任务的航天飞机:
即“发现”号航天飞机;“阿特兰蒂斯”号航天飞机;“奋进号”号航天飞机。
另外,美国还有一架“企业”号试验机,不执行飞行任务。
1961年3月23日,苏联人邦达连科就是为载人航天事业献身的第一人。
截止2003年底,人类共进行了400余次的载人航天飞行,其中美国280余次,苏联(俄罗斯)130余次。
在这400余次载人航天活动中,共有18人为载人航天事业献出了宝贵的生命。
最为壮烈的是1986年1月28日美国“挑战者”号的失事,载人航天飞机刚刚升空73秒,不到1分半钟就在空中爆炸了。
当时航天飞机载有7名宇航员,其中包括一名女宇航员叫麦考利夫,是一名教师,然而她没能书写第一名教师宇航员的历史。
当时麦考利夫是为完成美国教师上太空计划的,她上太空有两项任务:
第一个是通过电视转播给全球数万万名中学生上一堂“太空见闻”;第二个是通过电视转播上一堂“人类为什么要登上太空”。
遗憾的是她还没有登上太空就把年轻的生命献给了载人航天事业。
大家看报纸了解到,美国航天局还想启动教师上太空计划。
54岁(2004年为54岁)的芭芭拉·摩根是1985年时就被选为参加航天飞行计划的教师代表候选人。
现年54岁,已是两个孩子的母亲。
美国航天局计划让芭芭拉·摩根在2003年11月13日乘座“哥伦比亚”号航天飞机进入太空,进行为期11天的太空之旅,来实现麦考利夫为完成的事业。
非常遗憾的是,2003年2月1日,在“哥伦比亚”号完成此次16天飞行任务后返回途中,在距地球约60Km处爆炸失事,7名宇航员全部遇难。
这7人中6名美国人,1名是以色列人。
第三、用飞机发射
只有美国做到这点,90年四月,美首次将一颗200公斤重的卫星从B-52轰炸机上,用三级“飞马”火箭高空发射成功。
显然,这是很经济的。
要实现人造卫星上天,在人类航天历史上,有三位科学家的名字将被永远铭记,他们是:
苏联的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基、美国的罗伯特·戈达德和德国的赫尔曼·奥伯特。
康斯坦丁·爱德华多维奇·齐奥尔科夫斯基1857.9.17~1935.9.19苏联科学家,现代航天学和火箭理论的奠基人。
1903年发表了世界上第一部喷气运动理论著作《利用喷气工具研究宇宙空间》,提出了液体推进剂火箭的构思和原理图,并推导出在不考虑空气动力和地球引力的理想情况下,计算火箭在发动机工作期间获得速度增量的公式,为研究火箭和液体火箭发动机奠定了理论基础。
在研究喷气飞行原理方面卓有建树:
提出了燃气涡轮发动机方案,解
康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(5张)
决了航天器在行星表面着陆的理论问题,研究大气层对火箭飞行的影响,首次探讨从火箭到人造地球卫星的诸问题。
齐奥尔科夫斯基一生撰写了730多篇论著。
1932年苏联政府授予他劳动红旗勋章。
1935年9月19日在卡卢加逝世。
罗伯特·哈金斯·戈达德(RobertHutchingsGoddard,1882年10月5日-1945年8月10日)是美国教授、工程师和发明家,液体火箭的发明者,是美国最早的火箭发动机发明家,被公认为现代火箭技术之父。
[1]
1926年3月16日,在马萨诸塞州的奥本,冰雪覆盖的草原上,戈达德发射了人类历史上第一枚液体火箭。
火箭长约3.4米,发射时重量为4.6公斤,空重为2.6公斤。
飞行延续了约2.5秒,最大高度为12.5米,飞行距离为56米。
这是一次了不起的成功,宣告了现代火箭技术的诞生。
1935年,戈达德研制的的液体火箭最大射程已达到20千米,时速达到1103千米,是人造飞行器第一次超过音速。
戈达德共获得了214项专利,其中83项专利在他生前获得。
事实上,美国是现代火箭技术真正起步的地方,戈达德也被公认为现代火箭技术之父。
韦纳·冯·布劳恩1912年出生于德国。
第二次世界大战期间,他是德国著名的火箭专家,对V-1和V-2火箭的诞生起了关键性作用。
大战结束之际,布劳恩及其科研班子投降美国,1955年他加入美国国籍。
布劳恩继续在美国从事火箭、导弹和航天研究,曾获得一系列勋章、奖章和荣誉头衔。
1969年,他领导研制的“土星”5号运载火箭,将第一艘载人登月飞船“阿波罗11号”送上了月球。
1981年4月首次试飞成功的航天飞机,当初也是在布劳恩手里发明的。
因此,他被称誉为“现代航天之父”。
1977年6月,布劳恩病逝于华盛顿亚历山大医院。
中国的航天事业起步较晚,1955年,空气动力学家钱学深冒着生命危险从美国回到祖国,为新中国的航天事业奋斗终身,带领一批科学家发展两弹一星事业,在不长的时间里,迅速发展了中国航天事业,1976年,中国结束了以阶级斗争为纲的野蛮统治,随着思想解放和经济建设的发展,航天事业也以极快的速度发展起来,实现了中华民族几千年的飞天梦,这在以后,我们还有专门记述
。
就世界范围来说,真正的航天是从1957年10月4日世界上第一颗人造地球卫星上天而拉开了航天史的序幕,经过了火箭技术,卫星时代、空间探测、载人航天的几个阶段,到上世纪末,已有5000多个航天器上天,包括几千个人造卫星,几百个载人航天器和个空间探测器,几十个应用卫星系统,一百多个国家和地区开展航天活动,航天活动成为国民经济和军事部门的重要组成部分。
从1957年到现在的60年来,航天事业的发展是十分迅速的,其原因,最先是苏美两个超级大国在冷战期间争夺空中优势的军备竞赛,后来更由于航天技术直接带来巨大的经济效益而迅速引进许多国家的重视和参与,空间技术的成就深入到每个家庭、个人生活之中:
1.卫星通信、广播。
通信卫星技术进步,使它在通信和广播领域迅速推广应用,世界上跨洋通信几乎全被通信卫星所代替。
许多交通不便,通信干线不到之处,以及海上、空中、灾区通信卫星更显出优越性。
卫星通信可提供有关信息传递的100多种业务。
以国际通信卫星系统为例,其业务活动效益每年达100亿美元。
卫星电视广播的应用已众所周知,不仅丰富了人民的新闻文化生活,而且为教育事业做出了重要贡献,以我国开通的卫星电视教育频道为例,已有5000多个卫星电视教育接收台,接受各种教育人数达2000万以上,效果很好。
2.卫星导航定位。
卫星导航定位系统由于范围大、时效好、精度高等特点已广泛应用于海上舰船、空中飞机、陆上车辆的行驶导航,以及各种工程建设和业务活动中的定位。
美国GPS系统的定位精度可达到米级。
高精度的卫星导航定位为各种交通工业提高运输效率及安全保障做出重要贡献。
3.资源调查和测绘。
利用卫星照片调查陆地和海洋资源已广泛应用,并被证实是有效的方法,不仅节约人力物力,而且时间快。
我国已利用国内外卫星对全国的主要经济区的资源和环境进行勘测和调查。
同时,还利用卫星照片绘制了地形图和各种专业图。
4.气象与灾害预报。
气象卫星不仅提高了天气预报的准确率,同时对台风、暴风雨等的预测以及海面温度的监测和海洋渔业的发展都起着极为有效的作用。
自从有了气象卫星以来,台风天气预报几乎准确无误。
我国利用气象卫星资料,对森林火灾、洪水等多种灾害进行监测发挥了积极的作用。
5.军事应用。
应用卫星中军事卫星占有重要地位,包括军事侦察、导弹预警、军事通信指挥、导航和气象保障等。
侦察卫星不仅可以实时大范围监视敌方的军事行动,而且可以对重要军事目标进行详查。
各种军事卫星不仅提供平时部队各种需要,而且在战时发挥重要作用。
典型应用是1991年海湾战争中美国利用多种军事卫星参加了作战,发挥了极为重要的作用。
6,在个人生活方面,大家最熟悉的方便面,脱水蔬菜,尿不湿给人们的现代化生活增光添彩,可以说现代人过着的现代化生活,是天上人间,神仙般的日子。
此外,空间技术在科学研究等方面也发挥了积极的作用。
世界上先进国家的科研机构对生命科学、宇宙科学、日地空间环境都取得了不少的成就。
中国在微重力科学实验和太空植物育种等方面都取得了可喜的成绩。
发展空间技术是为了进行全面的空间资源的开发,它包括空间位置资源的开发、空间环境资源的开发和空间物质资源的开发几个方面,现分述如下:
航天器位于高空,可以全面地观察地球表面及附近的情况,可以轻松地完成在地面上难以完成的任务。
例如通信卫星的出现和广泛应用,已带来了世界通信体制的根本性变革。
作为一种产业,已取得巨大的经济效益和社会效益。
通信卫星中最重要的是同步通信卫星。
同步通信卫星位于赤道上空35786千米高处,它绕地心转动一周的时间与地球自转一周的时间相同。
从地面看去,这颗卫星好像挂在高空静止不动。
从某地区的卫星地面站把微波信号发送到同步通信卫星上去,再由卫星上的转发器把信号放大并发送回另一地区的卫星地面站,这样就构成了两地之间的通信。
只要在赤道上空的同步轨道上,等距离地分布三颗通信卫星,就可以实现全球通信和传播美国于1958年发射世界上第一颗实验通信卫星,1963年发射第一颗同步通信卫星。
此后,世界各国迅速建立起完整的国际通信系统。
的通信卫星种类很多,有固定通信卫星、移动通信卫星、电视直播卫星、跟踪与数据中继卫星,并拟建太空信息高速公路。
通信卫星轨道也由单一的静止轨道向中低轨道拓展。
国际通信卫星组织的国际通信卫星已发展到第八代,其总容量为22500条模拟话路,112500条数字话路和3个电视频道。
它承担了全球商业通信业务的85%以上。
我国使用的"东方红3号"同步通信卫星,有24台转发器,能够同时传送8100路电话和6路彩色电视,基本上满足了国内电视、广播、通信的需要。
[4]
又如民用遥感卫星(包括气象卫星和地球资源卫星)已在气象、资源、测绘等领域发挥了重要的作用。
气象卫星的出现,使气象的观测发生了重大的变革。
它可以利用各种气象探测仪器,拍摄全球的云图,精确地测量全球各处的气温、降水量,监视台风、暴雨等灾害性天气的变化,从而可以提高气象预报的准确性,减少自然灾害给人们带来的损失。
地球资源卫星上装有高分辨率的电视摄像机、多光谱扫描仪、微波辐射仪和其他遥感仪器,可用来完成多种任务,如勘测地球表面的森林、水力和海洋资源,调查地下矿藏和地下水源,观察农作物的长势和估计农作物的产量,监视农作物的病虫害和环境的污染情况,以及进行地理测量等。
[4]
应用卫星的大家族中还有导航卫星、军事卫星、科学卫星、技术试验卫星等,它们各有其特殊的用途。
[4]
宇宙空间有着地球上所不具备的失重、高真空、强辐射、超低温等条件。
具有这些特殊条件的环境虽然不适合于人类生活,但却可以带来一些难得的机会。
例如,外层空间没有大气层,高真空,将天文观测站架设在这种空间里,可以获得清晰的天体图像,有利于揭示天体的真实面貌。
已在预定轨道上运行多年的哈勃太空望远镜,具有极高的分辨能力和灵敏度,能观测到140亿光年远处的天体,用它观察物体所得图像的清晰度比地面上最好的望远镜高10倍。
又如,利用外层空间高真空、高洁净等条件,可以制造人类需要的新材料和太空药,它既能保证产品的高质量,又能保证生产安全和方便。
[4]
宇宙空间中的物质资源主要是太阳能资源、月球资源以及其他行星资源。
太阳内部进行着剧烈的聚变反应,放出大量的能量。
在外层空间设置太阳能电站,能充分地吸收太阳能,有效利用太阳能。
其主要优势在于:
设置在地球同步轨道上的发电站,日照时间高达99.98%,可以连续发电;没有大气的干扰,太阳能的利用率比地面上高10多倍;不用担心风雨的袭击和云雾的遮挡,一年四季可以天天发电。
人们的设想是:
用太阳能电池板把太阳能转变为电能,再将电能转变为微波能发送至地面接收站,地面接收站将微波能转变为电能供给用户使用。
如果太阳能卫星发电站能够建成并投入使用,人类将获得清洁、安全和极为丰富的电力资源。
月球离地球Recently,它上面虽然没有生命,却蕴藏着大量的金属原料和其他原料。
铁、镍、铝、锰、钴、铀、钍等重要金属原料样样都有,氦一3的储量相当丰富。
据探测,如果仅将月球上的资源开发出来,人类可使用1000年以上。
月球的开发,不仅可以成为人类新的生产基地,还可以成为宇宙航行的中继站。
有的国家已计划在若干年之后在月球上建立太空基地。
宇宙是无边无际的,,人类一代一代的努力下去,航天事业前景无限美好,面对宇宙,现代地球人的相互斗争看起来是很可笑的,未来是属于全人类的,着眼未来,是我们最根本的世界观。
未来是什么样子,人又是怎样在自我[更新4,第三次科技革命另一个方面——生命科学和生物技术的发展向我们展示着更加奇妙的未来,请听下回分解!
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